Кіріспе
Жүктемелік индуктор немесе жүктеме орауы – электрондық тізбекке оның индуктивтігін арттыру үшін енгізілетін индуктор. Бұл термин 19 ғасырда алыс қашықтықтағы телеграф беру кабельдеріндегі сигналдың бұрмалануын болдырмау үшін қолданылған индукторларға қатысты пайда болды. Бұл термин радиоантенналардағы индукторларға немесе антенна мен оның қоректендіру желісі арасындағы электрлік жағынан қысқа антеннаны оның жұмыс жиілігінде резонансқа келтіру үшін де қолданылады. Жүктемелік индукторлардың тұжырымын Оливер Хевисайд 1860 жылдары алғашқы трансатлантикалық телеграф кабеліндегі сигналдың баяу жылдамдығы мәселесін зерттеген кезде ашты. Ол, жіберілген сигналдың амплитудасы мен уақыт кешігуінің бұрмалануын болдырмау үшін қосымша индуктивтілік қажет деген қорытындыға келді. Бұрмалаусыз беріліс үшін математикалық шарт Хевисайд шарты деп аталады. Алдыңғы телеграф желілері құрлықта немесе қысқа болғандықтан, кешігу аз болды және қосымша индуктивтілік қажеттілігі соншалықты маңызды емес еді. Су асты байланыс кабельдері бұл мәселеге ерекше сезімтал, бірақ 20 ғасырдың басындағы теңдестірілген жұптарды пайдаланған орналымдар көбінесе жүктемелік индукторлардың орнына темір сыммен немесе лентамен үздіксіз жүктелді, бұл герметтеу мәселесін болдырмады. Жүктемелік индукторлар тарихи тұрғыдан Михайло Пупиннің атымен Пупин индукторлары деп белгілі, әсіресе Хевисайд шарты үшін қолданылғанда, ал оларды орнату процесі кейде пупинизация деп аталады.
A loading coil or load coil is an inductor that is inserted into an electronic circuit to increase its inductance. The term originated in the 19th century for inductors used to prevent signal distortion in long distance telegraph transmission cables. The term is also used for inductors in radio antennas, or between the antenna and its feedline, to make an electrically short antenna resonant at its operating frequency. The concept of loading coils was discovered by Oliver Heaviside in studying the problem of slow signalling speed of the first transatlantic telegraph cable in the 1860s. He concluded additional inductance was required to prevent amplitude and time delay distortion of the transmitted signal. The mathematical condition for distortion free transmission is known as the Heaviside condition. Previous telegraph lines were overland or shorter and hence had less delay, and the need for extra inductance was not as great. Submarine communications cables are particularly subject to the problem, but early 20th century installations using balanced pairs were often continuously loaded with iron wire or tape rather than discretely with loading coils, which avoided the sealing problem. Loading coils are historically also known as Pupin coils after Mihajlo Pupin, especially when used for the Heaviside condition and the process of inserting them is sometimes called pupinization.
Телефон желілері
Жүктеп беру орамдарының кең таралған қолданысы телефон кабеліндегі бұрылған теңгерілген жұптардың дауыс жиілігі амплитудалық сипаттамасын жақсарту болып табылады. Бұрылған жұп теңгерілген форматта болғандықтан, теңгерімді сақтау үшін жұптың әр аяғына жүктеу орамасының жартысы орнатылуы керек. Көбінесе осы екі орама да бір өзекте жасалады. Бұл магниттік байланысты күшейтеді, әйтпесе ораманың айналым санын арттыру қажет болар еді. Ортақ өзектер қолданылғанына қарамастан, мұндай жүктеу орамдары трансформаторлар болып табылмайды, себебі олар басқа тізбектермен байланыс жасамайды. Сым жұбына тізбектей орналасқан жүктеу орамдары катушкалардың индуктивтігінен (плюс сымдардың таратылған индуктивтігінен) және сымдар арасындағы таратылған сыйымдылықтан тұратын төмен өткізгіш сүзгінің кесу жиілігіне дейін жоғары дауыс жиіліктеріндегі әлсіреуді азайтады. Кесу жиілігінен асып кеткенде әлсіреу тез өседі. Орамдар арасындағы қашықтық қысқа болған сайын кесу жиілігі жоғарылайды. Кесу эффектісі – бұл жинақталған индукторларды пайдаланудың нәтижесі. Ұзындығы бойынша таратылған индуктивтілікті пайдаланатын жүктеу әдістерінде кесу эффектісі болмайды. Жүктеу орамдары болмаса, желінің жауабы желінің кедергісі мен сыйымдылығымен анықталады, ал жиілік өскен сайын әлсіреу бірте-бірте артады. Дәл қажетті индуктивтілікке ие жүктеу орамдарымен сыйымдылық та, индуктивтілік те басымдық танытпайды: жауап тегіс, толқын пішіндері бұрмаланбайды және сипаттамалық кедергі кесу жиілігіне дейін кедергілік болады. Аудио жиілікті сүзгінің кездейсоқ пайда болуы шуды азайту арқылы да пайдалы.
DSL
Жүктеп беру орамдарымен, тізбектің сигналдың әлсіреуі тарату желісінің өткізу жолағындағы сигналдар үшін төмен деңгейде қалады, бірақ аудио кесу жиілігінен жоғары жиіліктерде күрт өседі. Егер телефон желісі кейіннен аналогты немесе цифрлық тасымалдау жүйелері немесе цифрлық абоненттік желі (DSL) сияқты жоғары жиілікті талап ететін қолданбаларды қолдау үшін қайта пайдаланылса, жүктеп беру орамдарын алып тастау немесе ауыстыру қажет. Параллель конденсаторлары бар орамдарды пайдалану m-түзілген сүзгі топологиясымен сүзгі құрады, сондай-ақ кесу жиілігінен жоғары жиіліктердің жолағы да өткізіледі. Алып тастамау жағдайында, орталық кеңседен 4 мильден (6,4 км) артық қашықтықтағы абоненттер үшін DSL қолдау көрсетілмейді.
Тасымалдау жүйелері
Американың 20 ғасырдың басында және ортасындағы телефон кабельдері бір миль (1,61 км) сайын жүктемелік катушкалармен жабдықталған, әдетте көптеген катушкаларды сақтайтын корпусшаларда орналасқан. Жоғары жиіліктерді өткізу үшін катушкаларды алып тастау қажет болды, бірақ катушкалар корпустары цифрлық T тасымалдау жүйелерінің репитерлеріне қолайлы орын болды, олар сол қашықтықта 1,5 Мбит/с сигналды жіберуге мүмкіндік берді. Еуропалық кабельдер тар көшелер мен мыстың жоғары құнына байланысты жіңішке сымдардан жасалған және тығыз орналастырылған. Бір километрлік интервалдар еуропалық жүйелерге 2 Мбит/с жылдамдықпен сигналдарды тасымалдауға мүмкіндік берді.
Радио антеннасы
Жүктеу катушкасының тағы бір түрі радиоантенналарда қолданылады. Монопольді және дипольді радиоантенналар радиотолқындардың резонаторлары ретінде жұмыс істеуге арналған; антеннаның тарату желісі арқылы антеннаға қолданылатын хабар таратушыдан келетін қуат антенна элементіндегі кернеу мен токтың тұрақты толқындарын тудырады. "Табиғи" резонанстық болу үшін антеннаның физикалық ұзындығы қолданылатын радиотолқындардың толқын ұзындығының төрттен бір бөлігіне (немесе сол ұзындықтың еселігіне, әдетте тақ еселігіне басымдық беріледі) тең болуы керек. Резонанс кезінде антенна таза кедергі ретінде электрлік әрекет етеді, оған берілген барлық қуатты қабылдағыштан сіңіреді. Көп жағдайда практикалық себептермен антеннаны резонанстық ұзындығынан қысқа жасау қажет, бұл электрлік қысқа антенна деп аталады. Толқын ұзындығының төрттен бір бөлігінен қысқа антенна тарату желісіне сыйымдылық реакциясын көрсетеді. Қолданылған қуаттың бір бөлігі тарату желісіне кері қайтарылады және қайта хабар таратушыға қарай жүреді. Екі ток бір жиілікте қарама-қарсы бағытта жүреді, бұл тарату желісінде тұрақты толқындарды тудырады, бұл тұрақты толқын қатынасы (SWR) бірден жоғары болады. Жоғары ток сымдарды қыздырып, энергияны ысыраптайды және тіпті хабар таратушыны қыздыруы мүмкін. Электрлік қысқа антеннаны резонансқа келтіру үшін антеннамен тізбекте жүктеу катушкасы орнатылады. Катушка индуктивтік реакциясы қысқа антеннаның сыйымдылық реакциясына тең және қарама-қарсы болуы үшін жасалған, сондықтан реакциялардың комбинациясы жойылады. Осылай жүктелгенде антенна тарату желісіне таза кедергі көрсетеді, энергияның шағылысуына жол бермейді. Жүктеу катушкасы көбінесе антеннаның түбінде, оның және тарату желісінің арасында (негізгі жүктеме) орналастырылады, бірақ радиацияны тиімдірек ету үшін кейде антенна элементінің ортасына жақын орналастырылады (орталық жүктеме). Қуатты хабар таратушыларды жүктеу катушкалары, әсіресе төмен жиіліктерде, күрделі жобалау талаптарына ие болуы мүмкін. Қысқа антенналардың сәулелену кедергісі өте төмен болуы мүмкін, LF немесе VLF жолақтарында бірнеше омға дейін, мұнда антенналар әдетте қысқа және индуктивтік жүктеме қажет. Катушкадағы кедергі сәулелену кедергісіне тең немесе одан жоғары болғандықтан, өте қысқа электрлік антенналар үшін жүктеу катушкалары жұмыс жиілігінде өте төмен AC кедергісіне ие болуы керек. Тері әсерінен туындаған жоғалтуларды азайту үшін катушка көбінесе бір қабатты орамалармен құбырдан немесе Литц сымынан жасалады, бұрылыстар жақын әсерге қарсы кедергіні азайту үшін арақашықтықта орналасады. Олар көбінесе жоғары кернеуге төтеп беруі керек. Диэлектрлік жоғалтудағы қуат жоғалтуларын азайту үшін катушка көбінесе жұқа керамикалық жолақтарға сүйенген ауада орналастырылады. Төмен жиіліктерде қолданылатын сыйымдылықпен жүктелген антенналардың өте тар жолақтары бар, сондықтан жиілік өзгерсе, жүктеу катушкасы антеннаны жаңа хабар таратушы жиілігімен резонансқа келтіру үшін реттелуі керек. Вариометрлер көбінесе қолданылады.
Қуат берудің жалпы көлемі
Ұзақ қашықтықтағы қуат беру желілерінде жоғары сыйымдылықтан туындайтын шығындарды азайту үшін, контурға икемді токмен алмасу жүйесі (FACTS), статикалық VAR компенсаторы немесе статикалық синхронды сериялық компенсатор арқылы индуктивтілік енгізілуі мүмкін. Сериялық компенсацияны, егер ол контурға индуктивтілік берсе, контурға тізбекте қосылған индуктор ретінде қарастыруға болады.
Джон Стоун
Джон С. Стоун American Telephone & Telegraph Company (AT&T) компаниясында жұмыс істеді және Хевисайдтың идеяларын нақты телекоммуникацияға қолдануға алғашқы болып тырысты. Стоунның 1896 жылғы идеясы, ол патенттеген биметалл темір-мыс кабелін пайдалану болды. Стоунның бұл кабелі темір құрамының арқасында желілік индуктивтілікті арттырып, Хевисайд шартын қанағаттандыруға мүмкіндік беретін еді. Бірақ Стоун 1899 жылы компаниядан кетіп, идея ешқашан іске асырылмады. Стоунның кабелі үздіксіз жүктеудің мысалы болды, бұл принцип кейіннен басқа түрлерде іске асырылды, мысалы, осы мақалада кейінірек Krarup кабелі туралы қараңыз.
Джордж Кемпбелл
Джордж Кэмпбелл – AT&T компаниясының Бостон қондырғысындағы тағы бір инженер болды. Кэмпбеллге Стоунның екі металл кабельін зерттеуді жалғастыру тапсырылды, бірақ ол одан тез бас тартып, жүктеу катушкасына көшті. Бұл оның жеке жағдайы болды: Кэмпбелл Хевисайдтың Хевисайд шартын ашудағы жұмысын білгенімен, оның желіні осы шартқа сәйкес ету үшін жүктеу катушкаларын пайдалану туралы ұсынысынан хабарсыз болды. Бағытты өзгертудің себебі – Кэмпбеллдің шектеулі бюджеті. Кэмпбелл өзіне бөлінген бюджетпен нақты телефон желісінде тәжірибелік демонстрация жасауға тырысты. Оның жасанды сызық симуляторларында нақты сызықта кездесетін таратылған шамалардың орнына жиынтықталған компоненттер қолданылғанын ескергеннен кейін, Стоунның таратылған сызығын пайдаланудың орнына жиынтықталған компоненттермен индуктивтілікті енгізе алатынын ойлады. Оның есептеулері телефон желілеріндегі люктердің бір-біріне жеткілікті жақын екенін көрсеткенде, кабельді қазудың немесе жаңа кабельдер төсеудің қажеті болмай, жүктеу катушкаларын орнатуға болатынын түсініп, жаңа жоспарға көшті. Телефон кабелінде жүктеу катушкаларын алғаш рет көрсету 6 қыркүйек 1899 жылы Кэмпбеллдің өзі және оның ассистенты Питтсбург кабельі деп аталған 46 мильдік учаскеде жасады (сынақ шындығында Бостонда өтті, ал кабель бұрын Питтсбургте сынақтар үшін қолданылған). Жүктелген желілерді пайдаланатын алғашқы телефон кабелі 1900 жылдың 18 мамырында Бостондағы Ямайка жазығы мен Батыс Ньютон арасында пайдалануға берілді. Кэмпбеллдің жүктеу катушкалары бойынша жұмысы оның кейіннен жиілік бөлісі мультиплексі үшін маңызды болған сүзгілер бойынша жұмысының теориялық негізін қалады. Жүктеу катушкаларының кесу құбылысы, қолайсыз қосалқы эффект, қажетті сүзгі жиілік жауабын жасау үшін пайдаланылуы мүмкін.
Майкл Пупин
Майкл Пупин, АҚШ-қа көшкен серб иммигранты, сонымен қатар жүктілік катушкаларының тарихында да рөл атқарды. Пупин Кемпбелдің патентіне басыбайлы патент тапсырды. Бұл Пупиннің 1899 жылғы патенті. Ертерек патент (1894, 1893 жылғы желтоқсанда тіркелген) бар, ол кейде Пупиннің жүктілік катушкасының патенті деп аталады, бірақ шындығында ол басқа нәрсе. Бұл шатасуды түсіну оңай, өйткені Пупин өзі 1894 жылы тауға шыққанда жүктілік катушкалары туралы ойды алғаш рет ойлап тапқанын айтады, бірақ сол кезде ол туралы ештеңе жарияланбаған. Пупиннің 1894 жылғы патенті сызықты индукторлардың орнына конденсаторлармен «жүктейді», бұл теориялық тұрғыдан кемшіліктері бар және ешқашан тәжірибеде қолданылмаған схема. Шатасуды күшейту үшін, Пупин ұсынған конденсатор схемасының бір түрінде шындығында катушкалар бар. Дегенмен, олар сызықты ешқандай жолмен өтеуге арналмаған. Олардың мақсаты – желіге тұрақты ток ағынын қалпына келтіру, осылайша оны стандартты жабдықпен сынауға болады. Пупин индуктивтіліктің 50 Гц-тен жоғары барлық айнымалы ток сигналдарын тоқтатуға жеткілікті үлкен болуы керек дейді. Осылайша, желіге маңызды кедергі тек конденсатор қосады, ал «катушкалар бұрын көрсетілген нәтижелерге ешқандай маңызды әсер етпейді».
Құқықтық күрес
Хевисайд өзінің идеясын ешқашан патенттеген емес; шын мәнінде, ол өзінің ешбір жұмысынан коммерциялық пайда таппады. Бұл өнертабысты қоршап тұрған заңдық дауларға қарамастан, Кемпбелл жүктеу орамдарын пайдалана отырып телефон тізбегін алғаш құрастырғаны сөзсіз. Сондай-ақ, Хевисайд алғаш жариялағандығына күмән жоқ және көптеген адамдар Пупиннің артықшылығын жоққа шығарады. AT&T Пупинмен оның талабы бойынша соттасты. Пупин патент алған алғашқы адам болды, бірақ Кемпбелл Пупин патентке өтініш бермес бұрын (1899 жылдың желтоқсаны) практикалық демонстрация өткізді. Кемпбеллтің өтініш беруді кешіктіруі AT&T-тің ішкі баяу процестеріне байланысты болды. Дегенмен, AT&T ақымақтықпен Кемпбеллдің ұсынған патенттік өтінімінен патент тапсырылғанға дейін қажетті индуктивтіліктің нақты мәнін көрсететін барлық кестелер мен графиктерді жойды. Пупиннің патентінде (дәлдігі төмен) формула болғандықтан, AT&T толық ақпарат жарияланбағаны туралы шағымдарға ұшырау мүмкіншілігі болды. Хевисайдтың бұрынғы жариялануынан өнертабыс патентке жарамсыз деп жариялануы мүмкін деген қорқынышпен, олар сотқа шағымданудан бас тартып, AT&T екі патентті де бақылауға алу үшін Пупиннің патентіне жылдық төлеммен опция сатып алды. 1901 жылдың қаңтарына қарай Пупинге 200 000 доллар (2011 жылы 13 миллион доллар) төленді, ал 1917 жылы AT&T монополиясы аяқталып, төлемдер тоқтаған кезде ол барлығы 455 000 доллар (2011 жылы 25 миллион доллар) алды.
AT&T-ке берілетін пайда
Бұл өнертабыс AT&T үшін зор құндылыққа ие болды. Телефон кабельдерін бұрынғыдан екі есе ұзақ қашықтыққа пайдалануға болады, немесе сол қашықтықта бұрынғы сапаның (және құнының) жартысымен кабельді қолдануға болады. Кемпбеллге демонстрация өткізуге рұқсат беруді қарастырғанда, олардың инженерлері Нью-Йорк және Нью-Джерси штатындағы жаңа орнату шығындары бойынша 700 000 доллар үнемдеуге болатынын бағалаған. 20 ғасырдың бірінші тоқсанында AT&T 100 миллион доллар үнемдеген. Бәрін бастаған Хевисайд ештеңе алмай кетті. Оған номиналды төлем ұсынылған, бірақ ол қабылдамады, өйткені өз еңбегі үшін құрметке ие болғысы келді. Ол ирониямен, егер оның бұрынғы жариялануы мойндалған болса, ол "ақша ағынының дұрыс бағытта жүруіне кедергі келтіретінін" айтты.
Су асты кабельдері
Бұрмалау су асты байланыс кабельдері үшін ерекше мәселе болып табылады, себебі олардың ұзын болуы бұрмалаудың күшеюіне мүмкіндік береді, сонымен қатар, олар изоляциялық материалдың қасиеттеріне байланысты, тік полюстердегі ашық сымдарға қарағанда бұрмалауға көбірек бейім. Сигналдың әртүрлі толқын ұзындығы материалда әртүрлі жылдамдықпен таралады, бұл дисперсияға алып келеді. Осы мәселе бірінші трансатлантикалық телеграф кабелінде туындады, бұл Хевисайдты зерттеуге және шешім табуға итермеледі. Жүктеу катушкалары дисперсия мәселесін шешеді және олар алғаш рет 1906 жылы Siemens және Halske компаниясы Констанц көлі арқылы проложенген су асты кабелінде қолданылды. Салмақты су асты кабельдерінде жүктеу катушкаларын пайдалануда бірнеше қиындықтар бар. Жүктеу катушкаларының көлемі кабель тартатын кемелердің жабдығынан оңай өтпейтін, сондықтан кеме катушка орнатылғанда жылдамдығын төмендетуге мәжбүр болатын. Катушкалар орнатылған жерлердегі үзілістер кабельді прокладка кезінде кернеуге ұшырататын. Керек деңгейде сақтандықта болмаған жағдайда, кабель жыртылып, жөндеуі қиын болар еді. Тағы бір мәселе – сол кездегі материалтану ғылымының катушка мен кабель арасындағы қосылысты теңіз суының енуінен қорғау қиындықтарына тап болуы еді. Мұндай жағдайда кабель бүлінетін. Осы мәселелерді шешу үшін үздіксіз жүктеу әзірленді, сонымен қатар, ол үзіліс жиілігінің болмауының артықшылығына ие.
Krarup кабелі
Даниялық инженер Карл Эмиль Краруп дискретті жүктеу орамдарының мәселелерін шешкен үздіксіз жүктелетін кабель түрін ойлап тапты. Краруп кабелі – орталық мыс өткізгіштің айналасына темір сымдардың үздіксіз оралуымен жасалған, мұнда жақын орналасқан орамдар бір-бірімен жанасады. Бұл кабель телекоммуникациялық кабельдерде үздіксіз жүктеуді алғаш рет пайдаланған жағдай болды. 1902 жылы Краруп осы тақырыптағы мақаласын жазып, сондай-ақ Хельсингёр (Дания) мен Хельсингборг (Швеция) арасындағы алғашқы кабельдің орнатылуын көрді.
Пермаллой кабелі
Краруп кабелі желіге индуктивтілік қосса да, бұл Хевисайд шартын орындау үшін жеткіліксіз болды. AT&T компаниясы жоғары магниттік өтімділігі бар жақсырақ материал іздеді. 1914 жылы Густав Элмен пермаллойды – реттелген магниттік никель-темір қоспасын ашты. Шамамен 1915 жылы Оливер Бакли, Х.Д. Арнольд және Элмен, барлығы Bell Labs-те, пермаллой лентасын мыс өткізгіштерге орап, теңіз асты коммуникациялық кабелін жасау әдісін ұсынды, бұл беріліс жылдамдығын едәуір арттырды. 1923 жылы кабель Бермудадағы сынақтан өтті. 1924 жылдың қыркүйегінде Нью-Йорк қаласы мен Орта (Азор аралдары) арасында қызметке қойылған алғашқы пермаллой кабелі болды. Алғашқы трансатлантикалық кабель минутына бар болғаны екі сөзді жеткізе алды.
Mu-металл кабель
Мю металдың магниттік қасиеттері пермаллойға ұқсас, бірақ қорытпаға мыс қосу оның серпімділігін арттырады және металлдың сымға тартылуына мүмкіндік береді. Мю металл кабельін жасау пермаллой кабельіне қарағанда оңай, мю металл ядролық мыс өткізгіштің айналасына Krarup кабельіндегі темір сым сияқты оралады. Мю металл кабельдің тағы бір артықшылығы – конструкциясы өзгермелі жүктеме профиліне ыңғайлы, онда жүктеме ұштарына қарай біртіндеп азаяды. Мю металл 1923 жылы Лондондағы Telegraph Construction and Maintenance Company компаниясы ойлап тапты, ол бастапқыда Western Union Telegraph Co. үшін кабель жасады. Western Union компаниясы AT&T және Western Electric Company компанияларымен бәсекелесті, олар пермаллойды қолданды. Пермаллойға патент Western Electric компаниясына тиесілі болғандықтан, Western Union оны пайдалана алмады.
Жапсырманы жүктеу
Кабельдерді үздіксіз жүктеу қымбатқа түседі, сондықтан қажет болған жағдайда ғана жасалады. Койлы жүктеу арзан, бірақ тығыздағыштардың қиындығы және белгілі бір жиіліктің болуы кемшіліктері бар. Орташа шешім – кабельді бірнеше бөліктерде үздіксіз жүктеу, ал аралық бөліктер жүктелмейді.
Қазіргі тәжірибе
Жүктелген кабель қазіргі таңдағы су асты байланыс кабельдері үшін қолданылмайтын технология, оған алдымен электр қуатымен жұмыс істейтін желілік репитерлерді пайдаланатын коаксиалды кабель, содан кейін оптикалық талшықты кабель басымдық берді. Жүктелген кабельдің өндірісі 1930 жылдары азайды және екінші дүниежүзілік соғыстан кейін басқа технологиялармен толығымен ысталды. Жүктеу орамдары кейбір стационарлық телефон желілерінде әлі де кездеседі, бірақ жаңа орнатуларда көбінесе заманауи технологиялар қолданылады.